基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法，是在采用固液复合铸造技术制备双金属复合材料时，将浇注有覆层金属熔液的基体金属或者浸没有基体金属的覆层金属熔液置于一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部，在产生的旋转磁场和行波磁场的多维剪切作用下，使覆层金属熔液在基体金属上固化形成双金属复合材料。本发明专利技术方法通过电磁多维剪切方式减少固液复合铸造制备双金属复合材料时的气孔和裂纹，增强双金属界面结合性能，提高双金属复合材料质量。提高双金属复合材料质量。提高双金属复合材料质量。

【技术实现步骤摘要】
基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法


[0001]本专利技术属于双金属复合材料制备
，涉及一种铜(铝)/钢双金属复合材料的制备方法，特别是涉及一种利用电磁液固成形铸造铜(铝)/钢双金属复合材料的方法。

技术介绍

[0002]随着工业技术的不断发展，单一金属材料或合金材料的综合性能已经很难满足一些现代化生产的需求。双金属复合材料由于兼具两种金属材料的优良性能，可以解决单一材料无法满足的高强度、高韧性等综合性能问题，在特定制造领域具有广阔的应用前景。
[0003]目前双金属复合材料的制备技术主要包括焊接复合、扩散复合、轧制复合、爆炸复合等固相复合技术及固液复合铸造等铸造复合技术。
[0004]其中，固液复合铸造是将覆层金属液浇注到已经预制好的基体金属上或将已经表面处理好的基体金属沉没于覆层金属液中，通过两种金属间的扩散反应形成连续的金属间扩散区，从而形成复合材料的工艺方法。
[0005]采用传统固液复合铸造技术制备的双金属复合材料构件常常由于复合界面金属间化合物晶粒粗大，复合界面夹杂物多、无法净化等原因，导致复合界面出现气孔、针孔，构件的界面结合性能较差。
[0006]例如，铜钢双金属复合材料经常出现以下问题：1、中间过渡层固溶体较少；2、铅颗粒粗大，分布不均匀，且偏析现象严重(对于含有Pb元素的铅锡青铜)；3、界面处结合强度不高，力学性能偏低。而铝钢双金属复合材料经常出现的问题则主要包括：1、中间过渡层出现较多的金属间化合物；2、界面处结合强度不高，且性能不均匀；3、复合界面无法得到净化，夹杂物居多，常出现气孔、针孔。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法，通过电磁多维剪切方式减少固液复合铸造制备双金属复合材料时的气孔和裂纹，增强双金属界面结合性能，提高双金属复合材料质量。
[0008]本专利技术所述的基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法是在采用固液复合铸造技术制备双金属复合材料时，将浇注有覆层金属熔液的基体金属或者浸没有基体金属的覆层金属熔液置于一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部，在产生的旋转磁场和行波磁场的多维剪切作用下，使覆层金属熔液在基体金属上固化形成双金属复合材料。
[0009]其中，所述的行波磁场和旋转磁场分别是由施加以频率1～30Hz、电流300～500A的交流电的行波磁场线圈和旋转磁场线圈产生。
[0010]具体地，所述行波磁场线圈产生的行波磁场的磁力线与旋转磁场线圈产生的旋转磁场的磁力线相互垂直。
[0011]当表面充有覆层金属熔液的基体金属被放入到由行波磁场线圈和旋转磁场线圈
组成的金属线圈内部，并接入交流电时，两组线圈就会分别产生行波磁场以及旋转磁场，产生借助在覆层金属熔液内感生的电磁力。该电磁力的多维剪切力可以起到搅拌的作用，推动覆层金属熔液运动，从而强化覆层金属熔液的对流、传热过程，使得基体金属表面的全部金属熔液能够在非常短的时间内被均匀搅拌，打断枝晶，覆层金属熔液的上下层面浓度和温度均匀化，等轴晶形核生长，减少了金属间化合物的聚集和减少了偏析现象的产生，可以有效减少表面和皮下的气孔、针孔、夹杂物和表面裂纹等缺陷，使界面得到净化，界面处组织均匀细小，提高了产品的内在质量。温度的均匀化还可以进一步防止覆层金属熔液的氧化，提高原料利用率，有利于双金属复合材料较好的液固成形。
[0012]优选地，本专利技术基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法适合于制备以钢为基体的铜钢双金属复合材料或铝钢双金属复合材料。
[0013]更具体地，本专利技术可用于制备铜(铅锡青铜)钢(42CrMo)双金属复合材料或铝(ZL114)钢(Q235)双金属复合材料。
[0014]进一步地，本专利技术还提供了基于电磁液固成形的铜钢双金属复合材料的制备方法。
[0015]1）、在预热炉中将钢基体预热至1100～1200℃。
[0016]2）、将铜合金在1100～1200℃熔炼炉中熔炼得到铜熔液。
[0017]3）、使铜熔液与钢基体的待复合工作面充分接触，放入一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部。
[0018]4）、行波磁场和旋转磁场分别接通电流300～500A，频率1～30Hz的交流电。
[0019]5）、磁场作用5～10min后关闭磁场，取出复合好的铜钢双金属构件。
[0020]6）、将铜钢双金属构件在200～300℃热处理3～5h。
[0021]优选的，所述钢基体的预热温度为1150℃。
[0022]对于铜钢双金属复合材料而言，本专利技术制备方法中的电磁多维剪切流可以使铜熔液的溶质原子进入到钢基体中的某些节点位置，从而改变晶体结构，使得铜钢中间结合处的厚度增加，形成更多的固溶体，在仍能保证足够高的塑性和韧性的同时，明显提高了材料的强度和硬度。中间结合处厚度的增加还加大了扩散距离，改变了铅锡青铜合金中铅颗粒的形态，成为了细小的圆球状。进而，电磁多维剪切流可以打碎二次枝晶，使其重新长大成为一次枝晶，而枝晶数量的增多也使得复合材料的结合强度更高。
[0023]更进一步地，本专利技术也提供了基于电磁液固成形的铝钢双金属复合材料的制备方法。
[0024]1）、在预热炉中将钢基体预热至250～350℃。
[0025]2）、将铝合金在750～800℃熔炼炉中熔炼得到铝熔液。
[0026]3）、使铝熔液与钢基体的待复合工作面充分接触，放入一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部。
[0027]4）、行波磁场和旋转磁场分别接通电流300～500A，频率1～30Hz的交流电。
[0028]5）、磁场作用3～5min后关闭磁场，取出复合好的铝钢双金属构件。
[0029]6）、将铝钢双金属构件先在400～500℃固溶处理15～18h，再于150～170℃时效处理5～8h。
[0030]优选的，所述钢基体的预热温度为300℃。
[0031]对于铝钢双金属复合材料而言，本专利技术制备方法中的电磁多维剪切流反而可以抑制铝钢中间结合处的厚度，通过破环金属间的离子键与共价键，抑制金属间化合物的生长，从而减少金属间化合物的生成，使得复合材料的结合性能均匀，结合强度更高。
[0032]传统铸造方法制备的未经过本专利技术电磁液固成型的铜钢/铝钢双金属复合材料的界面晶粒粗大，有明显裂纹，且容易出现气孔、夹杂等问题。
[0033]与传统铸造方法制备的双金属复合材料相比，本专利技术制备双金属复合材料的界面结合性能良好，减少了传统工艺不可避免的气孔、针孔和表面裂纹，减少了中心疏松、缩孔和内裂，且界面组织均匀细小，提高了产品的内在质量。
[0034]采用本专利技术电磁液固成形方法制备的铜钢双金属复合材料构件的铜侧布氏硬度可以达到110HBW，提高了约50%，结合强度可以达到235MPa；提高了约65%，铜钢双金属复合材料构件的结合层厚度达到21.69
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁液固成形的双金属复合材料制备方法，是在采用固液复合铸造技术制备双金属复合材料时，将浇注有覆层金属熔液的基体金属或者浸没有基体金属的覆层金属熔液置于一个由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部，在产生的旋转磁场和行波磁场的多维剪切作用下，使覆层金属熔液在基体金属上固化形成双金属复合材料。2.根据权利要求1所述的双金属复合材料制备方法，其特征是所述行波磁场和旋转磁场分别由施加以频率1～30Hz、电流300～500A的交流电的行波磁场线圈和旋转磁场线圈产生。3.根据权利要求1或2所述的双金属复合材料制备方法，其特征是行波磁场线圈产生的行波磁场的磁力线与旋转磁场线圈产生的旋转磁场的磁力线相互垂直。4.根据权利要求1所述的双金属复合材料制备方法，其特征是所述双金属复合材料为以钢为基体的铜钢双金属复合材料或铝钢双金属复合材料。5.一种基于电磁液固成形的铜钢双金属复合材料的制备方法，包括：1）、在预热炉中将钢基体预热至1100～1200℃；2）、将铜合金在1100～1200℃熔炼炉中熔炼得到铜熔液；3）、使铜熔液与钢基体的待复合工作面充分接触，放入一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国伟，王赵杰，徐宏，万安，任晓燕，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：